Parková dráha Olympia Brno
• kolejová váha •

Jak je těžký železniční model

Zjišťování hmotnosti modelových vozidel

Kolejová váha a mobilní indikátor kolejové váhy. Foto © Roman Šiler 2. 6. 2016.

Hmotnost je jedním ze základních parametrů, které jsou při popisu toho kterého modelu uváděny. Jednoduché ke zjištění u modelů »únosných«, trošku náročnější u modelů »patřičných«. Ale všeobecně platí, že hmotnost jednotlivých železničních modelů je zajímavý údaj. U lokomotivy je to údaj vypovídající o její schopnosti utáhnout na kolejišti dlouhý vlak (je to otázka nejen výkonu pohonu, ale i adhezní hmotnosti), u vagonů je to pak informace hlavně o tom, kolik jich ta která lokomotiva v praxi může táhnout. Vždy také platí, že hmotnější model se na kolejích chová důstojněji. Těžké modely přinášejí provozně–výkonové problémy, ale jejich jízda je důstojná a jistější. Jsou méně náchylné k vykolejení. Pokud celokovový model lokomotivy ve velikosti »G« váží 14 kg, potřebuje modelář k jeho přenesení trénované svaly a návod, kde model vlastně uchopit, aby nedošlo k destrukci karoserie. Vlastní jízda po kolejích je však pohádka. Jako »ze života«. Podobně na rozchodu 184 mm je osobní vůz s hmotností 80 kg prvním nešikovným cestujícím lehce převrácen. Vagon těžký 500 kg se při nástupu dospělého už nehne.
Zjistit reálnou hmotnost u malých modelů je celkem bez komplikací. Běžná kuchyňská váha stačí do velikosti H0 bez problémů, pro velikosti 0 a I nebo II s nějakým přípravkem také. Dále už je to horší.
Modely na rozchodu 127 mm v měřítku 1:11 jsou v praxi ještě fyzicky »uzdvihnutelné«, ale svými rozměry se už většinou nesměstnají na decimálku nebo jiné moderní průmyslové váhy. A pokud budeme v měřítku stoupat až k těm přerostlým obludám 1:3, nejspíš tvrdě narazíme.

Není nad kvalifikovaný odhad

Hmotnost velkých modelů se nejčastěji nějak odhaduje, obvykle se vychází z hmotností vypočítaných vyspělejšími konstrukčními programy – samozřejmě pokud dotyčný model vzniká dle CAD dokumentace. Ale i zde se skutečná hmotnost často liší od vypočítané. Důvod je jednoduchý - ne všechny součásti jsou modelovány ve 3D zcela přesně, měrného mnotnosti použitých materiálů nemusí být zadány správně a v sestavách mohou být zanedbány takové drobnosti, jako je spojovací materiál nebo svary.

Chcete to přesně?

Takže jak na to? Je to celkem prosté – je zapotřebí zhotovit kolejovou váhu. Zařízení, které je obvyklé i u skutečné železnice. Zařízení fungující na stejném technickém principu. Kdy kolejové vozidlo najede na kolejový úsek, který je nějakým způsobem spojen s vážicím zařízením. V současné době nemusíme přemýšlet o systému mechanického pákového převodu – ačkoli taková váha by byla parádním modelovým kouskem – dnes stačí využít moderních senzorů a zobrazovacích jednotek.
Je mnoho krásných železničních modelů. A velmi často po otázce: "Jak je to těžké?" – přiletí odpověď zaokrouhlená na desítky kilogramů. Typickým případem jsou modely motorových lokomotiv T47 v měřítku 1:4, které byly vyrobeny pro brněnskou Parkovou dráhu. Ty by měly vážit aspoň 500 kg...

Idea přetavená do reality

Koncepce a umístění zařízení

Vážení ostravského historického tramvajového vlečného vozu evid. č. 69 na klasické kolejové váze v areálu bývalých ŽOS Krnov. Renovace do původního stavu po vyrobení byla firmou DRAH-servis pro DPMO dokončena v dubnu roku 2001. Foto 13. 4. 2001 © Roman Šiler.

Kolejové vážicí zařízení pro modely supervelkých měřítek není pro provoz na parkové dráze žádnou nutnou podmínkou. Přesto však není špatné vědět, jak těžké modely jsou. Třeba i proto, aby se exaktně správně mohly projektovat výkonové parametry vozidel nových. Kolejová váha proto má své opodstatnění a má smysl se její konstrukcí zabývat.
Další fáze – úvahy o tom jak a kde kolejovou váhu na brněnské parkové dráze zřídit – trvala více jak rok. Nakonec byla zvolena koncepce izolovaného kolejového úseku vybaveného středovými tenzometrickými snímači a příslušnou zobrazovací jednotkou. Pro umístění takového vážicího zařízení byl zvolen prostor na 17. odstavné koleji v rotundě. Venkovní prostor by byl možná stylovější, ovšem mnohem náročnější na konstrukci. Zejména z hlediska konstrukce základů a odvodu dešťové vody. Konstrukce kolejí v rotundě ve výšce zhruba 1 metr nad podlahou umožňuje technicky celkem jednoduše vyřešit mechanicky izolovanou kolej, která by spočívala na senzorech. Je tu minimální nebezpečí poškození, k dispozici je napájení 220 V a v bezprostřední blízkosti je také točna, která umožňuje operativní otáčení dlouhých vozidel, kdy je třeba postupně sčítat hmotnosti podvozků. A do rotundy neprší...

Nakoupit a zasednout k počítači

Mechanické převody klasického železničního vážního zařízení působí velmi důstojně. Je to sofistikovaná krásná strojařská práce. Foto 13. 4. 2001 © Roman Šiler.

Nyní bylo třeba nakoupit potřebné komponenty, aby bylo možné přistoupit k vypracování výrobní výkresové dokumentace. Vlastní tenzometrické snímače jsou relativně drahou součástí. Navíc si nevystačíme s jedním snímačem, protože při potřebné délce koleje 1 metr by šlo celý systém na střed jen těžko vybalancovat. Zejména při vážení modelů, jejichž nápravový tlak je značně nestejný. Proto byly zakoupeny senzory čtyři. Dále bylo nutno stanovit váživost senzorů. Tedy celkovou maximální hmotnost modelu. Velké »sedmičkové« modely mohou dosahovat hmotnosti vyjímečně do 1 tuny. Což je i tak na jeden podvozek jen 500 kg. Proto byla zvolena váživost zařízení 1200 kg, kterážto hodnota vytváří přirozenou rezervu pro zatím nepředvídatelné. Jeden senzor by měl tedy být zatížitelný 300 kg. Koupeny byly středové tenzometrické senzory ZEMIC L6E/300, slučovací krabice JXHP4 (slučuje signály z více senzorů) a indikátor YAOHUA T6. Senzory fungují na principu změny napájecího signálu (z indikátoru) prostřednictvím deformace těla senzoru. Indikátor porovnává změněné signály ze senzorů a převádí vše na číselné hodnoty zobrazované na displeji. Indikátor umožňuje nastavit opakovaně »nulu« (princip odečítání obalu), umožňuje sčítat hodnoty, je vybaven vnitřním akumulátorem, je tedy možný i provoz bez napájení ze sítě.
Po shromáždění uvedených komponent bylo možno začít modelovat. Jak jinak, než osvědčeným programem SolidWorks.

Konstrukce zařízení

V jednoduchosti je kouzlo

Nosná konstrukce pro koleje v rotundě je tvořena jäkly 30×80×3 mm. Na těchto nosnících jsou přivařeny vlastní kolejnice – válcované profily U 20×40×5. Efektivní délka koleje v rotundě je 3400 mm. Tyto kolejnice budou v druhé polovině v délce 1 m odstraněny (tedy více jak 1/4). Nosníky samozřejmě musí být ponechány - nesou jednak zbytek koleje a také celou konstrukci váhy.

Základní plášť váhy se slučovací krabicí a dosud oddělená deska senzorů se stojinami. Foto © Roman Šiler.

Kabely senzorů ve slučovací krabici. Foto © Roman Šiler.

Plášť váhy byl vytvořen ze silného ocelového plechu ve tvaru U. Na dně tohoto pláště byly upevněny hliníkové senzory. Na senzory byla umístěna spodní deska kolejnic rovněž z hliníkového plechu. Na tento základový plech pak byly umístěny plnoprofilové hliníkové stojiny, které procházejí nad podélnou jäklovou konstrukci.

Senzory Zemic L6E/300. Foto © Roman Šiler 27. 4. 2016.

Bílé plochy senzorů jsou pryskyřicí zalité prvky měnící napájecí signál v závislosti na deformaci hliníkového těla senzoru. Foto © Roman Šiler.

Nosný plášť se senzory a slučovací krabicí při postupné montáži. Foto © Roman Šiler.

Na stojinách je opět hliníkový plech tvořící desku kolejí. Kolejnice jsou pak tvořeny hranoly tažené oceli 20×20 mm. Hliník je přece jen snadno opotřebitelný materiál, který se pro pojíždění těžkými modely nehodí. Ostatní hliníkové díly byly zvoleny především z důvodu snížení hmotnosti konstrukcí, které jalově zatěžují senzory. Deska kolejí byla navíc vybavena stavěcími šrouby, které mohou vytvořit pevnou opěru mezi pojezdovými kolejemi váhy a podélnými nosnými jäkly kolejí rotundy. Tyto stavěcí šrouby zaručují, že senzory nebudou v době mimo používání váhy mechanicky zatěžované odstavenými vozidly. Což by jinak mohlo po dlouhé době způsobit deformaci senzorů z hliníku. Všechny části konstrukce váhy byly provedeny tak, aby jejich sezazení bylo pouze pomocí šroubových spojů. Svařování je obtížné z hlediska přesnosti a u hliníku je navíc velmi problematické kroucení svařenců po vychladnutí.

Uzavřená slučovací krabice před montáží desky senzorů. Foto © Roman Šiler.

čelní pohled na sestavenou váhu před přenesením na 17. kanál rotundy. Foto © Roman Šiler.

Celé provedení vážního systému ozřejmují výkresy. Plášť a plechy byly vyrobeny pálením laserem. Plášť byl po vypálení tvarován ohraňovacím lisem. Po namontování senzorů na dno pláště byla mezi senzory umístěna slučovací krabice a senzory byly do krabice zapojeny. Z krabice pak byl vyveden jediný kabel, který se pak (opatřený koncovkou) zapojuje do vážního indikátoru. Na senzory byla upevněna základní deska se stojinovými profily. Deska s kolejnicemi byla namontována až v rámci závěrečné montáže na 17. kanálu rotundy. Nejnáročnější činností tak bylo vyřezání válcovaných profilů tvořících kolejnice. Bylo nutno odbrousit svary tak, aby nedošlo k poškození nosných jäklů.

čelní pohled na sestavenou váhu před přenesením na 17. kanál rotundy. Foto © Roman Šiler.

Oživení a nastavení

Konec dobrý – všechno dobré

Po namotování celé váhy bylo přistoupeno k nastavení indikátoru. K tomu je zapotřebí mít k dispozici pokud možno přesná závaží, která pomohou nastavit definované výstupní hodnoty při různých signálech senzorů. Tzn. stav 0 (prázdná váha) a stav zatížení se známou hodnotou. Je samozřejmě vhodné, aby toto »nominální« závaží bylo úměrné celkové váživosti systému. Při váživosti 1200 kg není příliš vhodné užít závaží 5 kg. Problém byl tedy vyřešen tak, že byla přivezena hotová průmyslová váha, kterou byly naváženy betonové dlažební kostky. Takto bylo vytvořeno jednorázové závaží s hmotností 200 kg a indikátor byl nastaven. Pro indikátor byla vyrobena přenosná překližová krabice, protože jeho trvalé umístění u váhy nebylo shledáno jako vhodné. Především z hlediska možného poškození při standardním provozu v rotundě.

Pravda vyplave jako olej na vodu...

Hned první zkušební vážení ukázala ten holý fakt, že hmotnosti modelů jsou skutečně jen odhadovány a realita je odlišná. Mnohdy značně. Pro vlastní provoz váhy byly vytvořeny a vytištěny tzv. vážní lístky. Ty obsahují údaje o váženém předmětu (modelu), hodnotách hmotnosti (podvozek I, podvozek II a celková hmotnost), datum a jméno »vážitele«. V květnu 2016 byla kolejová váha uvedena do normálního provozu. V rámci 5. Parní Olympiády byly váženy i modely zahraničních účastníků.